大柳塔煤礦52煤7m大采高綜采工作面支架工作阻力分析

高登彥，楊金樓

(神華神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

采選技術(shù)

大柳塔煤礦52煤7m大采高綜采工作面支架工作阻力分析

高登彥，楊金樓

(神華神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

摘要：為了提高液壓支架選型的合理性，實(shí)現(xiàn)7m大采高工作面的安全高效生產(chǎn)，本文通過對大柳塔煤礦7m大采高52303工作面、52304工作面初采、正?；夭伞⒛┎善陂g的的礦壓進(jìn)行實(shí)測，得出大采高工作面周期來壓較明顯，來壓時(shí)煤壁片幫嚴(yán)重、頂板下沉明顯，易冒頂，來壓期間支架工作阻力沿工作面傾向呈“幾”字型分布的礦壓規(guī)律。并分析了支架的受力特點(diǎn)，通過經(jīng)驗(yàn)及理論公式對工作阻力進(jìn)行了分析，并結(jié)合覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及形成的結(jié)構(gòu)，給出了支架工作阻力確定公式及合理的工作阻力，即16800kN液壓支架處于高位運(yùn)行狀態(tài)、18000kN液壓支架工作阻力相對不足，目前大柳塔煤礦52煤使用的支架不能滿足安全生產(chǎn)的需求，合理的工作阻力應(yīng)為18550k～21586kN。

關(guān)鍵詞：7m大采高；礦壓規(guī)律；支架；工作阻力

隨著綜采工作面采高向6.3～8.3m發(fā)展，工作面煤壁片幫嚴(yán)重、易出現(xiàn)大面積冒頂、壓架事故，且控制困難，已成為制約超大采高一次采全高技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸[1]。雖然很多學(xué)者[2-8]對大采高綜采工作面的覆巖結(jié)構(gòu)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律開展了大量工作，但針對類似大柳塔煤礦52煤三盤區(qū)埋深平均195m，采高平均6.7 m，工作面長度達(dá)300 m條件下的礦壓規(guī)律以及合理煤柱留設(shè)還未深入研究。大柳塔煤礦52煤三盤區(qū)采煤方法為7米大采高支架一次采全高綜合機(jī)械化長壁開采方法，全部垮落法管理頂板，其首采工作面52304面在回采過程中共發(fā)生過11次冒頂和一次壓架事故，第二個(gè)工作面52303面在回采過程中共發(fā)生過3次冒頂事故，工作面及兩順槽頂板管理十分困難。作者通過現(xiàn)場實(shí)測，分析了大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及合理的工作阻力，為指導(dǎo)大采高綜采工作面回采以及支架的選型提供了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，對于7m大采高工作面頂板管理具有重要意義。

1工作面概況

大柳塔井52304、52303綜采工作面煤層厚度6.6～7.3m，平均6.94m，煤層傾角1～3°，埋深180～260m，上覆基巖厚度為110～210m，與上覆已采的22煤層間距為150m左右。52304工作面走向推進(jìn)長度4547.6m，采取“刀把面”布置形，其中，52304-1面寬147.5m，總推進(jìn)長度148.7m；52304面寬301m，總推進(jìn)長度4389.1m。52303面寬301.5m，推進(jìn)長度4443.3m m，工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

表1　開采煤層頂?shù)装迩闆r表

52304工作面配備了由鄭煤集團(tuán)生產(chǎn)的7m大采高掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)高度為3.2～7m，支架寬度為2.05m，初撐力12370kN，工作阻力16800kN。運(yùn)順內(nèi)布置了1臺(tái)ZYDC11000/28/47型超前支架，回順內(nèi)布置了2臺(tái)ZFDC35400/27/47型超前支架。52303工作面支架參數(shù)見表2。

表2　52303面支架參數(shù)

工作面配備了DBT公司生產(chǎn)的功率為3×1600kW的中雙鏈刮板輸送機(jī)、700kW中雙鏈轉(zhuǎn)載機(jī)、700kW破碎機(jī)。

2工作面礦壓觀測

工作面內(nèi)支架礦壓顯現(xiàn)特征觀測時(shí)，調(diào)取工作面支架PM32壓力監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)上的壓力數(shù)據(jù)，繪制成曲線進(jìn)行礦壓規(guī)律的分析，包括分析工作面的初次來壓與周期來壓步距、來壓強(qiáng)度與動(dòng)載系數(shù)、來壓持續(xù)時(shí)間與長度以及支架的增阻特性等。為了便于分析選取35#、75#、115#支架進(jìn)行研究。

同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)實(shí)地觀測，記錄工作面支架的支護(hù)狀況以及圍巖的運(yùn)動(dòng)情況，包括支架的初撐力、來壓時(shí)安全閥開啟及立柱下縮量、來壓時(shí)頂板漏矸以及煤壁片幫情況等。

3工作面礦壓規(guī)律

3.1沿工作面走向

3.1.1初采期間

表3為初采期間52304面和52303面初次來壓、周期來壓統(tǒng)計(jì)表，從表3可以看出，傾斜長度為301m的工作面，初次來壓步距在71.9～73m之間，工作面兩端1#～30#、125#～150#架基本無來壓，來壓區(qū)域(35#～115#)支架工作阻力大部分為15720.5k～18432.3kN，最大為19611.4kN，安全閥開啟率為50%左右，活柱下縮量70～150mm。來壓持續(xù)長度5～12刀。

圖1　末采期間支架工作阻力曲線圖

工作面初次來壓周期來壓1234567平均523047313.7188.21013.313.112.712.75230371.914.4137.69.69.814.41612.1

初次來壓時(shí)支架明顯的壓力增高，采空區(qū)隆隆作響，隨后一股颶風(fēng)傳到采面，支架阻力急增。來壓時(shí)工作面中部區(qū)域煤壁存在片幫、炸幫現(xiàn)象，片幫深度200～400mm，同時(shí)部分支架區(qū)域有架前漏矸現(xiàn)象，兩順槽超前支護(hù)段煤壁有輕微片幫出現(xiàn)。工作面對應(yīng)地表也出現(xiàn)較大范圍的開采裂縫，其中，在工作面中部出現(xiàn)較大的臺(tái)階裂縫，裂縫寬80～200mm，臺(tái)階落差80mm左右，臺(tái)階裂縫長20～30m。同時(shí)，沿工作面傾向也出現(xiàn)數(shù)對平行裂縫，裂縫寬度普遍較小，處于5～12mm左右。

52304面和52303面周期來壓步距為7.6～18m，平均為12.1～12.7m，從表中可以看出工作面周期來壓步距基本上比較一致，說明傾斜長度為301m的工作面周期來壓步距為12.1～12.7m。來壓時(shí)安全閥開啟率為45%左右。來壓持續(xù)長度4～8刀。

周期來壓期間煤壁出現(xiàn)片幫、炸幫現(xiàn)象，工作面50#～100#片幫、炸幫較明顯，片幫深度最大達(dá)到1m左右，漏矸范圍集中在50#～100#架之間，局部小范圍漏冒高度達(dá)1m以上。

表4 為52303和52304-2 面推進(jìn)過程中的支架工作阻力，觀測結(jié)果統(tǒng)計(jì)，表中Pz為來壓時(shí)支架的平均工作阻力，Pf為非來壓時(shí)支架的平均工作阻力。動(dòng)載系數(shù)平均為1.41～1.51。

表4　初采期間支架的動(dòng)載系數(shù)

3.1.2正常回采期間

52303、52304工作面正常回采期間，來壓時(shí)片幫現(xiàn)象較明顯，片幫深度最大達(dá)到3000mm左右，局部范圍出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，最大冒頂高度為2000mm左右。其中52304工作面2011年1月15日零點(diǎn)班50#～120#支架片幫深度達(dá)3000mm，冒頂高度達(dá)2～3m，影響生產(chǎn)24h。

工作面來壓范圍一般在30#～125#支架，兩端頭區(qū)域壓力顯現(xiàn)不明顯，一般機(jī)尾壓力大于機(jī)頭壓力，機(jī)尾頂煤隨采隨落。來壓區(qū)域支架工作阻力為17319.5k～18472kN，來壓時(shí)支架循環(huán)末阻力平均為17960kN，動(dòng)載系數(shù)為1.5～1.65，安全閥大部分開啟，開啟率一般在70%左右。周期來壓步距平均為16～16.8m，來壓持續(xù)長度約3.2～7.2m。

來壓期間頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，52303工作面一般頂板下沉量為30～80mm/刀，周期來壓期間支架活柱下縮量累計(jì)達(dá)300～500mm。52304工作面來壓期間支架活柱下縮量為40～80mm/刀，周期來壓期間支架活柱下縮量累計(jì)達(dá)500～1500mm。

非來壓期間工作面煤壁片幫形態(tài)整體呈現(xiàn)“凹”字逆時(shí)針90°旋轉(zhuǎn)后的形態(tài)分布，來壓期間工作面煤壁片幫形態(tài)整體呈現(xiàn)“”形分布。

工作面周期來壓步距整體呈現(xiàn)“兩端大、中間小”的特征，而來壓持續(xù)長度則相反呈現(xiàn)出“兩端小、中間大”的特征，這是大采高超長工作面礦壓顯現(xiàn)的典型特征。

3.1.3末采期間

2013年1月30日，工作面進(jìn)入末采階段，工作面距回撤通道200m，2013年3月7日，52304綜采工作面推進(jìn)至距離回撤通道17m處，工作面具備掛網(wǎng)條件，開始停機(jī)掛網(wǎng)。圖1為工作面末采期間支架工作阻力曲線圖，由于工作面處于配采階段，工作面來壓不穩(wěn)定，為了準(zhǔn)確掌握工作面掛網(wǎng)期間來壓情況，選取距掛網(wǎng)最近的6次周期來壓數(shù)據(jù)作分析。

從圖1可以看出工作面來壓步距為8.5～20.4m，平均為15.9m，來壓持續(xù)長度1.7～11m，平均6.79m，周期來壓時(shí)，支架循環(huán)末阻力為15721k～18865kN，平均17555kN，最大為23580.8 kN；非來壓期間工作面支架阻力為9903k～13912kN，平均11668kN；動(dòng)載系數(shù)1.40～1.70，平均1.60，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

周期來壓期間活柱下縮量為50～400mm；來壓時(shí)端面漏矸、煤壁片幫嚴(yán)重，片幫深度在0.5～2.0m左右，來壓期間支架安全閥開啟率達(dá)60%。

當(dāng)前，治理霧霾已成為各級政府的一項(xiàng)重要工作，也是一項(xiàng)重要的民生工程。南水北調(diào)中線工程對治理霧霾的巨大作用，應(yīng)引起有關(guān)部門的重視，積極做好中線主體工程收尾及配套工程建設(shè)、工程沿線綠化、水資源的科學(xué)調(diào)度及合理利用等相關(guān)工作，讓其發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，為治理霧霾、還京津冀人民于藍(lán)天碧水作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

3.2沿工作面傾向

52煤大采高綜采工作面來壓期間工作面沿傾斜方向的壓力分布近似呈“幾”型，如圖2 所示，一般在20#～120#支架工作阻力最大，52304工作面最大工作阻力達(dá)到19454kN，為額定工作阻力的115.8%，52303工作面最大工作阻力達(dá)到19179kN，為額定工作阻力的106.7%。中部、中上部明顯大于兩端，即工作面機(jī)頭壓力大于下部。說明基本頂周期破斷首先發(fā)生在壓力大的中部，而后逐漸向工作面兩端傳遞。非來壓期間工作面壓力基本上變化不大，近似呈“直線”型。

圖2　工作面支架工作阻力分布

4支架受力特點(diǎn)

圖3為52304工作面支架工作阻力分布圖，從圖中可以看出，生產(chǎn)期間工作面支架工作阻力主要集中在9903k～11790kN，超出支架額定工作阻力的上部占5.67%、中部占11.09%、下部占9.77%，中部的壓力明顯大于下部，下部壓力明顯大于上部。工作面平均工作阻力為12335.3kN，最大工作阻力為23580.8kN，分別為額定工作阻力的73.4%和140.4%。工作面來壓期間支架處于高位運(yùn)行狀態(tài)，支架額定工作阻力明顯不足。

圖4為52303工作面支架工作阻力分布圖，從圖中可以看出，生產(chǎn)期間工作面支架工作阻力主要集中在9903k～11790kN，超出支架額定工作阻力的上部占0.42%、中部占2.32%、下部占0.33%，中部的壓力明顯大于上部，上部壓力明顯大于下部。工作面平均工作阻力為12203.58kN，最大工作阻力為25703.08kN，分別為額定工作阻力的67.8%和142.8%。

5支架工作阻力分析

5.1按實(shí)測支架載荷統(tǒng)計(jì)估算

依據(jù)52303工作面、52304工作面液壓支架阻力實(shí)測數(shù)據(jù)估算工作面合理支架阻力，見式(1)。

(1)

兩種計(jì)算方法，如表5所示。

圖3　52304工作面支架工作阻力分布

圖4　52303工作面支架工作阻力分布

表5　工作面支架載荷估算方法

按兩種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算，得出的結(jié)果見表6。

根據(jù)以上方法統(tǒng)計(jì)出52煤大采高工作面支架所需的工作阻力應(yīng)為18114.8k～20675kN，52303工作面現(xiàn)有支架額定工作阻力為18000kN，比實(shí)測數(shù)據(jù)最低值18114.8kN小114.8kN，工作阻力相對不足。

5.2按垮落帶覆巖不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)估算

如按最危險(xiǎn)狀態(tài)考慮，垮落帶覆巖不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其巖層重量全部由支架承擔(dān)，則支架工作阻力的估算方法，見式(2)。

(2)

式中：P為每架支架工作阻力，kN/架；a為支架寬度，m/架；ri為垮落帶第i層巖層容重，kN/m3；hi為垮落帶第i層巖層厚度，m；bi為垮落帶第i層巖層懸頂長度，m；η為支架支護(hù)效率。

根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)在52304工作面回風(fēng)順槽所取巖樣數(shù)據(jù)來估算支架工作阻力，見表7。

表6　工作面支架載荷估算

表7　大柳塔煤礦52304工作面回風(fēng)順槽一側(cè)鉆孔

5-2煤層采高按平均值6.5m計(jì)，垮落帶高度按3倍采高計(jì)，為19.5m。由鉆孔柱狀可見，垮落帶高度達(dá)5-2煤頂板第3層巖層(該層為3.8m的中粒砂巖)。根據(jù)52304工作面礦壓觀測結(jié)果，第1層直接頂厚度為6.70m，懸頂長度即為支架最大控頂距為6.585 m；第2層頂板厚度為9.3m，懸頂長度按最大周期來壓步距21.5m計(jì)算(周期來壓步距15.0～21.5m、平均18.7m)，第3層厚度為3.8m的中粒砂巖受9.3m的細(xì)粒砂巖控制。支架寬度為2.05m，巖層容重25kN/m3，η取0.9。將上述參數(shù)代入計(jì)算公式，計(jì)算得出支架工作阻力應(yīng)為18550kN。

5.3支架工作阻力設(shè)計(jì)

工作面多次發(fā)生漏頂事故，若覆巖亞關(guān)鍵層1所處的層位較低，其破斷運(yùn)動(dòng)時(shí)形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，則應(yīng)從阻止該關(guān)鍵層破斷塊體發(fā)生失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)的角度進(jìn)行端面漏冒的防治。即應(yīng)保證支架的初撐力使其能平衡關(guān)鍵層“懸臂梁”破斷塊體及其上覆的載荷，此時(shí)支架所需的初撐力P0應(yīng)分成兩個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算：亞關(guān)鍵層1下部直接頂在支架控頂距內(nèi)的載荷Qz，亞關(guān)鍵層1及其上部直至垮落帶頂界面巖層的重量Q1，如圖5所示，即見式(3)。

(3)

式中，Qz=BlkΣhiγ，Q1=Blh0γ。B、lk分別為支架寬度及控頂距，m；h0為亞關(guān)鍵層1及其上方垮落帶內(nèi)巖層的厚度，m。而支架最終所需達(dá)到的工作阻力還應(yīng)包括平衡上部裂隙帶底界面鉸接巖塊所需的平衡力PH，即支架阻力，見式(4)。

(4)

由此可見，亞關(guān)鍵層1的破斷步距越大，支架所需達(dá)到的阻力值也越高。

圖5　關(guān)鍵層“懸臂梁”結(jié)構(gòu)時(shí)支架阻力計(jì)算模型

根據(jù)式(3)可對大柳塔煤礦52煤大采高工作面支架所需的合理初撐力值進(jìn)行計(jì)算。支架寬度、控頂距根據(jù)表1分別取2.05m和6.62m，垮落帶高度按2.5倍采高估算，亞關(guān)鍵層1在此階段的破斷距根據(jù)礦壓實(shí)測結(jié)果取18m。由此可根據(jù)52304工作面回順45#聯(lián)巷的柱狀計(jì)算出該區(qū)域支架所需的初撐力應(yīng)達(dá)到14925kN，支架工作阻力需達(dá)到21586kN。由此可見，工作面實(shí)際采用的額定工作阻力為16800kN、18000 kN的支架，無論初撐力還是最終支架末阻力均明顯不足。

6結(jié)論

1)正?；夭善陂g工作面周期來壓步距平均在16.8～18.7m，工作面來壓區(qū)域基本在30#～125#支架，來壓時(shí)頂板下沉嚴(yán)重。末采期間工作面來壓步距為8.5～20.4m，平均為15.9m，來壓持續(xù)長度1.7～11m，平均6.79m，動(dòng)載系數(shù)1.40～1.70，平均1.60，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

2)來壓期間支架工作阻力沿工作面傾向呈“幾”字型分布，呈現(xiàn)中部壓力超前的現(xiàn)象。

3)生產(chǎn)期間工作面支架工作阻力主要集中在9903k～11790kN，對于工作面來壓期間52304工作面支架處于高位運(yùn)行狀態(tài)，支架額定工作阻力明顯不足，52303工作面工作阻力相對不足。

4)通過按實(shí)測支架載荷數(shù)據(jù)和按垮落帶覆巖不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)兩種方法估算支架所需阻力，工作阻力應(yīng)為18550k～21586kN，目前支架阻力小于估算的支架阻力。

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Shield resistance analysis of 7 m large mining height fully mechanized longwall face in 52 coal seam of Daliuta coal mine

GAO Deng-yan，YANG Jin-lou

(Daliuta Mine，Shendong Coal Group Corporation Limited，Shenhua Group，Shenmu 719315，China)

Abstract:In order to improve the rationality of selecting shield supports and realize safe and efficient production of 7 m large mining face，field monitoring of the abutment pressure during initial mining，normal retreat mining and last mining is conducted at 7 m large mining height face 52303 and 52304 of Daliuta Coal Mine.The monitoring results show that the periodic weighting in large mining height face is obvious that occurring with rib spalling，roof sagging and possibly roof falls.The shield resistance is high in the middle section and low in the two end sections along the dip direction of the mining face.The characteristics of the shield resistance are analyzed with empirical and theoretical formula.The rational shield support resistance was obtained based on the overburden strata movement and structure，i.e.16800kN shields are in high level operation and 18000kN shield resistance is relatively low.The shields used in 52 Coal in Daliuta Coal Mine are not satisfy the safe production requirements，the rational shield support resistance should be 18550～21586kN.

Key words：7 m large mining height；mine strata pressure law；support；working resistance

收稿日期：2015-09-05

作者簡介：高登彥(1982-)，男，陜西神木人，工程師，現(xiàn)任大柳塔煤礦通風(fēng)二隊(duì)隊(duì)長，從事煤礦技術(shù)管理工作。E-mail：gaodengyan2002@163.com

中圖分類號：TD323

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)02-0080-05